本發(fā)明涉及輸電鐵塔主材實驗裝置及測量方法技術領域，尤其涉及一種輸電鐵塔主材角鋼軸力與彎矩協(xié)調(diào)加載方法和裝置以及測量方法技術領域。

背景技術：

傳統(tǒng)的輸電鐵塔結構實驗通常是通過建立鐵塔整體的全尺寸或縮比實驗模型，利用實驗裝置將外界載荷施加在節(jié)點上，進而研究其力學模型。然而在實驗室條件下研究輸電鐵塔節(jié)點對結構整體的力學性能影響時，通常需要建立輸電鐵塔的局部模型，再通過施加載荷以模擬輸電鐵塔整體的受力狀況，此時載荷邊界條件對結構整體影響較大。輸電鐵塔是典型的空間桁架結構，桿件受力以軸向載荷為主，但同時也伴隨著一定的彎矩作用，而偏心產(chǎn)生的附加彎矩對鐵塔構件的承載力有不利影響。因此采用局部模型研究鐵塔的受力狀況時，不可忽略附加彎矩對鐵塔結構的影響，需要在角鋼上同時施加軸向載荷和彎矩，然而目前沒有同時協(xié)調(diào)施加主材角鋼軸力和彎矩的實驗方法和裝置。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種輸電鐵塔主材角鋼軸力與彎矩協(xié)調(diào)加載裝置及測量方法，所述裝置通過對主材角鋼的偏心加載，實現(xiàn)在輸電鐵塔主材角鋼上軸力與彎矩的協(xié)調(diào)加載，并通過粘貼應變片測量主材角鋼上實際所受的軸向載荷與彎矩，以驗證測量方法與裝置的正確性。

為解決上述技術問題，本發(fā)明所采取的技術方案是：一種輸電鐵塔主材角鋼軸力與彎矩協(xié)調(diào)加載方法及裝置，其特征在于：包括左右兩個豎直固定在地面上的反作用力墻，其中的一個反作用力墻的內(nèi)側(cè)安裝有四個液壓缸，液壓缸動力輸出端上固定有剛性連接板，所述剛性連接板上焊接有強度較高的連接角鋼，連接角鋼分別與鐵塔模型四根主材角鋼的一端通過螺栓固定連接，鐵塔模型四根主材角鋼的另一端與另一個反作用力墻固定連接，連接角鋼與主材角鋼之間設有墊層，通過改變所述墊層厚度調(diào)節(jié)二者之間的偏心距離，使主材角鋼偏心受力；每根主材角鋼的兩肢上按一定規(guī)律粘貼4個應變片，通過測量與計算得到主材角鋼實際受到的軸力與附加彎矩，以驗證施加的軸力與附加彎矩是否正確。

進一步的技術方案在于：所述液壓缸采用雙作用液壓缸，能夠施加拉力和壓力，且內(nèi)部設有油壓實時采集裝置，可實時采集油壓值。

進一步的技術方案在于：所述連接角鋼的螺栓孔位于角鋼主慣性軸與角鋼兩肢的交點處，使連接角鋼實現(xiàn)軸心受力。

進一步的技術方案在于：所述主材角鋼上設有槽型孔，連接角鋼與主材角鋼之間通過螺栓固定連接。

本發(fā)明還公開了一種輸電鐵塔主材角鋼軸力與彎矩測量方法，其特征在于包括如下步驟：

在所述裝置的主材角鋼兩肢上安裝應變片；

采用半橋接線法多次將應變片接入應變儀，讀取應變儀讀數(shù)；

根據(jù)應變儀讀數(shù)計算主材角鋼的軸力p、角鋼主慣性軸z的附加彎矩mz和角鋼主慣性軸y的附加彎矩my。

進一步的技術方案在于：所述應變片安裝方法如下：

應變片a和應變片b分別粘貼在主材角鋼主慣性軸y與主材角鋼兩肢的交點處，二者與角鋼頂點o'的距離均為m；

應變片c和應變片d相對于主慣性軸z軸對稱布置，距離o'點的距離均為n；

以上4個應變片的粘貼方向均沿角鋼軸線方向。

進一步的技術方案在于：采用半橋接線法多次將應變片接入應變儀，讀取應變儀讀數(shù)的方法如下：

在進行測量時，只在電橋的ab段和bc段接應變片，而在ad和cd段連接應變儀內(nèi)部的兩個阻值相等的固定電阻；在此情況下，由于

r1＝r2＝rr3＝r4δr3＝δr4＝0(1)

所以，由式(1)可知，電橋的輸出電壓為

則應變儀的讀數(shù)為

同理，若在電橋的ab段和cd段接應變片，而在ad和bc段連接應變儀內(nèi)部的兩個阻值相等的固定電阻，此時應變儀的讀數(shù)為：

進一步的技術方案在于：所述主材角鋼的軸力p的計算方法如下：

角鋼構件在偏心的外載荷的作用下，其橫截面上存在的內(nèi)力分量有：軸力p，附加彎矩my和附加彎矩mz；

根據(jù)疊加原理可知，偏心受力構件橫截面上各點都為單向應力狀態(tài)，其測點處正應力的理論計算公式為拉伸應力和彎矩正應力的代數(shù)和，即：

根據(jù)胡克定律可知，其測點處正應力的測量計算公式為材料的彈性模量e與測點處正應變的乘積，即：

σ＝e·ε(6)

主慣性軸y軸通過應變片粘貼位置，因此彎矩my將不會對應變片粘貼位置處應力產(chǎn)生影響，內(nèi)力中只有軸力p和彎矩mz影響該處應力的大小，應變均由拉伸和彎曲兩種應變成分組成，即：

其中分別表示由液壓缸拉伸、彎曲所產(chǎn)生的拉應變、彎曲應變的絕對值；

對公式(7)和(8)聯(lián)立求解，得出軸力p產(chǎn)生的應變εp為；

將應變片a接入到應變儀ab段，應變片b接入到應變儀cd段，由式(4)得應變儀的讀數(shù)為：

ε1＝εa+εb(10)

則

根據(jù)公式(5)、(6)和(11)聯(lián)立求解，計算出附加彎矩軸力p為：

進一步的技術方案在于：所述附加彎矩mz的計算方法如下：

對公式(7)和(8)聯(lián)立求解，得出附加彎矩mz產(chǎn)生的應變為；

將應變片b接入到應變儀ab段，應變片a接入到應變儀bc段，則應變儀的讀數(shù)為：

ε2＝εb-εa(14)

則

根據(jù)公式(5)、(6)和(15)聯(lián)立求解，計算出附加彎矩mz為：

其中

則

進一步的技術方案在于：所述附加彎矩my的計算方法如下：

因在應變片c和應變片d的位置，主材角鋼內(nèi)力中則有軸力p、附加彎矩my和附加彎矩mz影響應變片c和應變片d處應力的大小，應變均由拉伸和彎曲兩種應變成分組成，即：

其中εp代表軸向應力產(chǎn)生的軸向應變；代表附加彎矩my產(chǎn)生的彎曲應變；代表附加彎矩mz產(chǎn)生的彎曲應變；

由式(18)和(19)聯(lián)立求解，得出附加彎矩my產(chǎn)生的應變為：

將應變片c接入到應變儀ab段，將應變片d接入到應變儀cd段，由式(4)得應變儀的讀數(shù)為：

ε3＝εc+εd(21)

由于在在角鋼同一截面上，各點的軸向應力相同，因此可根據(jù)式(11)、(20)和(21)聯(lián)立求解，計算出附加彎矩my產(chǎn)生的應變為：

由式(5)、(6)和(22)聯(lián)立求解，計算出附加彎矩my為：

其中

則

采用上述技術方案所產(chǎn)生的有益效果在于：所述裝置通過對主材角鋼的偏心加載，實現(xiàn)在輸電鐵塔主材角鋼上軸力與彎矩的協(xié)調(diào)加載，并通過粘貼應變片測量主材角鋼上實際所受的軸向載荷與彎矩，以驗證測量方法與裝置的正確性。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

圖1是本發(fā)明實施例所述裝置的立體結構示意圖；

圖2為鐵塔主材角鋼與連接角鋼的局部放大結構示意圖；

圖3為圖2中a-a處的剖視結構示意圖；

圖4為主材角鋼上應變片的布片方式示意圖；

圖5半橋接線法原理示意圖；

其中：1、底座；2、支撐架；3、反作用力墻；4、液壓缸；5、剛性連接板；6、連接角鋼；7、主材角鋼；8、鐵塔輔材；9、根部主材角鋼10、調(diào)整墊層；11、連接角鋼的圓型孔；12、主材角鋼的槽型孔；y1、連接角鋼的主慣性軸；y2、主材角鋼的主慣性軸；z1、連接角鋼的主慣性軸；z2、主材角鋼的主慣性軸；o1、連接角鋼的形心；o2、主材角鋼的形心；e1、右側(cè)調(diào)節(jié)墊層的厚度；e2、左側(cè)調(diào)節(jié)墊層的厚度；e3、連接角鋼與主材角鋼軸線的偏心距離。

具體實施方式

下面結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施例的限制。

如圖1所示，本發(fā)明實施例公開了一種輸電鐵塔主材角鋼軸力與彎矩協(xié)調(diào)加載裝置及測量方法，包括左右兩個豎直的反作用力墻3，所述反作用力墻3的下側(cè)連接有水平設置的底座1，所述底座1與地面固定連接，底座1與反作用力墻3之間設置有傾斜的支撐架。如圖2和圖3所示，其中的一個反作用力墻3的內(nèi)側(cè)安裝有四個液壓缸4，液壓缸4動力輸出端上固定有剛性連接板5，所述剛性連接板5上固定有連接角鋼6，連接角鋼6分別與鐵塔模型四根主材角鋼7的一端通過螺栓固定連接，鐵塔模型四根主材角鋼7的另一端與另一個反作用力墻3固定連接，連接角鋼6與主材角鋼7之間設有墊層10，通過改變所述墊層10厚度調(diào)節(jié)二者之間的偏心距離，使主材角鋼7偏心受力；每根主材角鋼的兩肢上按一定規(guī)律粘貼4個應變片，通過測量與計算得到主材角鋼7實際受到的軸力與彎矩，以驗證施加的軸力與彎矩是否正確。

液壓缸4需采用雙作用液壓缸，可以實現(xiàn)對鐵塔主材角鋼施加拉力或壓力；液壓缸可多方位調(diào)整安裝位置，以適用于不同尺寸的鐵塔模型。連接角鋼6采用強度遠高于鐵塔主材角鋼的金屬材料，并將其右端兩肢焊接在剛性連接板上，使得連接角鋼軸心受力，并實現(xiàn)連接角鋼與剛性連接板的多次使用以及可拆卸功能。

連接角鋼的螺栓孔位于角鋼主慣性軸與角鋼兩肢的交點處，使連接角鋼6實現(xiàn)軸心受力；而主材角鋼7采用槽型孔，便于調(diào)節(jié)二者之間連接螺栓的位置。連接角鋼與主材角鋼通過調(diào)整墊層厚度e1與e2確定二者之間的偏心距離，進而調(diào)節(jié)連接角鋼與主材角鋼軸線的偏心距離e3，使主材角鋼偏心受力，產(chǎn)生附加彎矩m。當墊層厚度分別變化δe1與δe2時，則連接角鋼與主材角鋼軸線的偏心距離變化

所述裝置通過對主材角鋼的偏心加載，實現(xiàn)在輸電鐵塔主材角鋼上軸力與彎矩的協(xié)調(diào)加載，并通過粘貼應變片測量主材角鋼上實際所受的軸向載荷與彎矩，以驗證測量方法與裝置的正確性。

本發(fā)明還公開了一種輸電鐵塔主材角鋼軸力與彎矩測量方法，包括如下步驟：

在前述裝置的主材角鋼兩肢上安裝應變片(應變片可以粘貼在任意一根主材角鋼上)；

采用半橋接線法多次將應變片接入應變儀，讀取應變儀讀數(shù)；

根據(jù)應變儀讀數(shù)計算主材角鋼的軸力p、角鋼主慣性軸z的附加彎矩mz和角鋼主慣性軸y的附加彎矩my。

優(yōu)選的，確定應變片粘貼位置的方法主要包括如下步驟：

1)應變片a和應變片b分別粘貼在主材角鋼主慣性軸y與主材角鋼兩肢的交點處，二者與主材角鋼頂點o'的距離均為m，如圖4所示；

2)應變片c和應變片d相對于主材角鋼主慣性軸z軸對稱布置，距離主材角鋼頂點o'點的距離均為n；

3)以上4個應變片的粘貼方向均沿角鋼軸線方向。

優(yōu)選的，下面結合圖5對半橋接線法原理進行說明：

1)在進行測量時，有時只在電橋的ab段和bc段接應變片，而在ad和cd段連接應變儀內(nèi)部的兩個阻值相等的固定電阻。在此情況下，由于

2)r1＝r2＝rr3＝r4δr3＝δr4＝0(1)

3)所以，由式(1)可知，電橋的輸出電壓為

5)則應變儀的讀數(shù)為

6)

7)同理，若在電橋的ab段和cd段接應變片，而在ad和bc段連接應變儀內(nèi)部的兩個阻值相等的固定電阻，此時應變儀的讀數(shù)為：

8)

優(yōu)選的，輸電鐵塔主材角鋼的軸力p的求解流程主要包括如下步驟：

1)角鋼構件在偏心的外載荷的作用下，其橫截面上存在的內(nèi)力分量有：軸力p，彎矩my和彎矩mz。

2)根據(jù)疊加原理可知，偏心受力構件橫截面上各點都為單向應力狀態(tài)，其測點處正應力的理論計算公式為拉伸應力和彎矩正應力的代數(shù)和，即：

3)

4)根據(jù)胡克定律可知，其測點處正應力的測量計算公式為材料的彈性模量e與測點處正應變的乘積，即：

5)σ＝e·ε(6)

6)因圖4中應變片a、應變片b的位置，且主慣性軸y軸通過應變片粘貼位置，因此彎矩my將不會對應變片粘貼位置處應力產(chǎn)生影響，內(nèi)力中只有軸力p和彎矩mz影響該處應力的大小，應變均由拉伸和彎曲兩種應變成分組成，即：

7)

8)

9)其中εp、分別表示由拉伸、彎曲所產(chǎn)生的拉應變、彎曲應變的絕對值。

10)對公式(7)和(8)聯(lián)立求解，得出軸力p產(chǎn)生的應變εp為；

11)

12)將應變片a接入到ab段，應變片b接入到cd段，由式(4)得應變儀的讀數(shù)為：

13)ε1＝εa+εb(10)

14)則

15)根據(jù)公式(5)、(6)和(11)聯(lián)立求解，計算出附加彎矩軸力p為：

16)

優(yōu)選的，輸電桿塔主材角鋼附加彎矩mz的求解流程主要包括如下步驟：

1)對公式(7)和(8)聯(lián)立求解，得出附加彎矩mz產(chǎn)生的應變為；

2)

3)將應變片b接入到ab段，應變片a接入到bc段，則應變儀的讀數(shù)為：

4)ε2＝εb-εa(14)

5)則

6)根據(jù)公式(5)、(6)和(15)聯(lián)立求解，計算出附加彎矩mz為：

7)

8)其中

9)則

優(yōu)選的，輸電桿塔主材角鋼附加彎矩my的求解流程主要包括如下步驟：

1)在圖4中應變片c、應變片d的位置，內(nèi)力中則有軸力p、附加彎矩my和附加彎矩mz影響該處應力的大小，應變均由拉伸和彎曲兩種應變成分組成，即：

2)

3)

4)其中εp代表軸向應力產(chǎn)生的軸向應變；代表附加彎矩my產(chǎn)生的彎曲應變；代表附加彎矩mz產(chǎn)生的彎曲應變；

5)由式(18)和(19)聯(lián)立求解，得出附加彎矩my產(chǎn)生的應變為：

6)

7)將應變片c接入到ab段，將應變片d接入到cd段，由式(4)得應變儀的讀數(shù)為：

8)ε3＝εc+εd(21)

9)由于在在角鋼同一截面上，各點的軸向應力相同，因此可根據(jù)式(11)、(20)和(21)聯(lián)立求解，計算出附加彎矩my產(chǎn)生的應變為：

10)

11)由式(5)、(6)和(22)聯(lián)立求解，計算出附加彎矩my為：

12)

13)其中

14)則

此時，通過應變片的測量與計算，已求出主材角鋼上實際承受的軸力p、附加彎矩my和附加彎矩mz，將其與施加的軸力p和彎矩m作對比，以檢測施加載荷與彎矩的正確性。